Predictive Analytics Platform
เทคโนโลยี Predictive Analytics เป็นระบบวิเคราะห์ข้อมูลเชิงทำนายที่ใช้ปัญญาประดิษฐ์และอัลกอริธึมการเรียนรู้ของเครื่อง ในการคาดการณ์ปัญหาและความผิดปกติของอุปกรณ์ก่อนเกิดขึ้นจริง ช่วยลดค่าใช้จ่ายในการซ่อมบำรุงฉุกเฉิน เพิ่มประสิทธิภาพการทำงาน และป้องกันการหยุดชะงักของระบบผลิตในโรงงานอุตสาหกรรม
Predictive Analytics คืออะไร?
Predictive Analytics เป็นการใช้ข้อมูลในอดีตและปัจจุบัน ร่วมกับเทคนิค Statistical Modeling, Machine Learning และ Artificial Intelligence เพื่อวิเคราะห์รูปแบบและทำนายเหตุการณ์หรือแนวโน้มในอนาคต ด้วยความแม่นยำสูง
ในระบบ GaugeSnap เราใช้ Predictive Analytics ในการวิเคราะห์ข้อมูลจากมิเตอร์และเซนเซอร์ต่างๆ เพื่อคาดการณ์ความผิดปกติของอุปกรณ์ การบำรุงรักษาที่จำเป็น และแนวโน้มการใช้งานในอนาคต ช่วยให้สามารถวางแผนและป้องกันปัญหาได้ก่อนเกิดขึ้นจริง
องค์ประกอบสำคัญ
-
Historical Data Analysis: วิเคราะห์ข้อมูลในอดีต เพื่อหารูปแบบและแนวโน้ม
-
Machine Learning Models: ใช้อัลกอริธึม ML ในการสร้างโมเดลทำนาย
-
Real-time Monitoring: ตรวจสอบและคาดการณ์ แบบ Real-time อย่างต่อเนื่องHistorical Data: ข้อมูลในอดีตสำหรับการเรียนรู้
- Predictive Models: โมเดลทำนายที่ฝึกมาแล้ว
- Real-time Processing: การประมวลผลแบบเรียลไทม์
การใช้งานใน Gauge Reading
- ทำนาย equipment failure ล่วงหน้า
- วางแผนการซ่อมบำรุงเชิงป้องกัน
- ปรับแต่งการทำงานเพื่อประสิทธิภาพสูงสุด
Prediction Process
ประเภทการทำนาย
รูปแบบการทำนายที่แตกต่างกันตามวัตถุประสงค์
Equipment Health
ทำนายสุขภาพและอายุการใช้งานของอุปกรณ์
- • Remaining Useful Life (RUL)
- • Degradation Patterns
- • Performance Decline
- • Maintenance Scheduling
Failure Prediction
ประเมินความเสี่ยงของการเกิดความเสียหาย
- • Failure Probability
- • Critical Component Analysis
- • Risk Assessment
- • Emergency Planning
Performance Optimization
หาจุดที่เหมาะสมสำหรับประสิทธิภาพสูงสุด
- • Optimal Operating Points
- • Efficiency Prediction
- • Resource Allocation
- • Cost Optimization
Demand Forecasting
ทำนายความต้องการและการใช้งานในอนาคต
- • Load Prediction
- • Seasonal Patterns
- • Capacity Planning
- • Supply Chain Optimization
โมเดล Machine Learning
อัลกอริธึมที่ใช้ในการทำนาย
Time Series Models
ARIMA
AutoRegressive Integrated Moving Average สำหรับการทำนายแบบคลาสสิค
LSTM Networks
Long Short-Term Memory networks สำหรับรูปแบบที่ซับซ้อน
Prophet
Facebook's time series forecasting tool ที่จัดการ seasonality ได้ดี
Regression Models
Random Forest
Ensemble method ที่ใช้หลาย decision trees
- • High accuracy
- • Feature importance ranking
- • Handles missing values
- • Robust to outliers
Gradient Boosting
เทคนิค boosting ที่ปรับปรุงประสิทธิภาพแบบต่อเนื่อง
- • XGBoost
- • LightGBM
- • CatBoost
- • AdaBoost
Support Vector Regression
SVR สำหรับการทำนายที่มีความแม่นยำสูง
การใช้งานในอุตสาหกรรม
ตัวอย่างการประยุกต์ใช้ในสถานการณ์จริง
Predictive Maintenance
ทำนายเวลาที่เหมาะสมสำหรับการซ่อมบำรุงอุปกรณ์
Data Sources:
- • Vibration sensors
- • Temperature readings
- • Pressure measurements
- • Current/voltage monitoring
- • Operating hours
Prediction Output:
- • Remaining useful life (RUL)
- • Failure probability
- • Optimal maintenance window
- • Component replacement schedule
Business Impact:
Energy Optimization
ทำนายการใช้พลังงานและหาจุดที่เหมาะสมสำหรับประหยัดพลังงาน
Monitoring Points:
- • Power consumption meters
- • Load demand patterns
- • Environmental conditions
- • Production schedules
- • Equipment efficiency
Optimization Strategies:
- • Peak demand prediction
- • Load shifting recommendations
- • Equipment scheduling
- • Energy storage optimization
Results:
ตัวอย่างการ Implement
โค้ดสำหรับสร้างระบบ Predictive Analytics
# Predictive Analytics System for Industrial Gauges
import pandas as pd
import numpy as np
from sklearn.ensemble import RandomForestRegressor
from sklearn.model_selection import train_test_split, TimeSeriesSplit
from sklearn.metrics import mean_absolute_error, mean_squared_error, r2_score
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
import tensorflow as tf
from tensorflow.keras.models import Sequential
from tensorflow.keras.layers import LSTM, Dense, Dropout
import matplotlib.pyplot as plt
import warnings
warnings.filterwarnings('ignore')
class PredictiveAnalytics:
def __init__(self, prediction_horizon=30):
"""
Initialize Predictive Analytics system
Args:
prediction_horizon: Number of time steps to predict ahead
"""
self.prediction_horizon = prediction_horizon
self.models = {}
self.scalers = {}
self.feature_importance = {}
self.is_trained = False
def create_features(self, data, window_size=24):
"""Create predictive features from time series data"""
features = []
targets = []
for i in range(window_size, len(data) - self.prediction_horizon + 1):
# Historical window
window = data[i-window_size:i]
# Statistical features
feature_vector = [
window.mean(),
window.std(),
window.min(),
window.max(),
np.percentile(window, 25),
np.percentile(window, 75),
window[-1], # Current value
window[-1] - window[-2] if len(window) > 1 else 0, # Recent change
]
# Trend features
if len(window) > 2:
# Linear trend
x = np.arange(len(window))
slope = np.polyfit(x, window, 1)[0]
feature_vector.append(slope)
# Moving averages
ma_short = window[-5:].mean() if len(window) >= 5 else window.mean()
ma_long = window[-12:].mean() if len(window) >= 12 else window.mean()
feature_vector.extend([ma_short, ma_long])
# Volatility
feature_vector.append(window.rolling(5).std().iloc[-1] if len(window) >= 5 else 0)
else:
feature_vector.extend([0, 0, 0, 0])
# Seasonal features (hour of day, day of week if timestamp available)
# This is simplified - in real implementation, use proper datetime features
hour_feature = i % 24 / 24.0 # Simulated hour cycle
day_feature = (i // 24) % 7 / 7.0 # Simulated day cycle
feature_vector.extend([hour_feature, day_feature])
features.append(feature_vector)
# Target: value at prediction horizon
target = data[i + self.prediction_horizon - 1]
targets.append(target)
return np.array(features), np.array(targets)
def create_lstm_sequences(self, data, sequence_length=60):
"""Create sequences for LSTM model"""
sequences = []
targets = []
for i in range(sequence_length, len(data) - self.prediction_horizon + 1):
# Input sequence
seq = data[i-sequence_length:i].values.reshape(-1, 1)
sequences.append(seq)
# Target: value at prediction horizon
target = data[i + self.prediction_horizon - 1]
targets.append(target)
return np.array(sequences), np.array(targets)
def train_random_forest(self, X, y, gauge_id):
"""Train Random Forest model"""
print(f"Training Random Forest for gauge {gauge_id}")
# Split data chronologically
split_idx = int(0.8 * len(X))
X_train, X_test = X[:split_idx], X[split_idx:]
y_train, y_test = y[:split_idx], y[split_idx:]
# Scale features
scaler = StandardScaler()
X_train_scaled = scaler.fit_transform(X_train)
X_test_scaled = scaler.transform(X_test)
# Train model
rf_model = RandomForestRegressor(
n_estimators=100,
max_depth=15,
min_samples_split=5,
min_samples_leaf=2,
random_state=42,
n_jobs=-1
)
rf_model.fit(X_train_scaled, y_train)
# Evaluate
train_pred = rf_model.predict(X_train_scaled)
test_pred = rf_model.predict(X_test_scaled)
train_score = r2_score(y_train, train_pred)
test_score = r2_score(y_test, test_pred)
print(f"Random Forest - Train R2: {train_score:.3f}, Test R2: {test_score:.3f}")
# Store model and scaler
self.models[f"{gauge_id}_rf"] = rf_model
self.scalers[f"{gauge_id}_rf"] = scaler
# Feature importance
feature_names = [
'mean', 'std', 'min', 'max', 'q25', 'q75', 'current',
'recent_change', 'trend', 'ma_short', 'ma_long', 'volatility',
'hour_cycle', 'day_cycle'
]
importance = dict(zip(feature_names, rf_model.feature_importances_))
self.feature_importance[f"{gauge_id}_rf"] = importance
return {
'train_score': train_score,
'test_score': test_score,
'train_mae': mean_absolute_error(y_train, train_pred),
'test_mae': mean_absolute_error(y_test, test_pred)
}
def train_lstm(self, sequences, targets, gauge_id):
"""Train LSTM model"""
print(f"Training LSTM for gauge {gauge_id}")
# Split data chronologically
split_idx = int(0.8 * len(sequences))
X_train = sequences[:split_idx]
X_test = sequences[split_idx:]
y_train = targets[:split_idx]
y_test = targets[split_idx:]
# Scale data
scaler = StandardScaler()
X_train_scaled = scaler.fit_transform(X_train.reshape(-1, 1)).reshape(X_train.shape)
X_test_scaled = scaler.transform(X_test.reshape(-1, 1)).reshape(X_test.shape)
y_scaler = StandardScaler()
y_train_scaled = y_scaler.fit_transform(y_train.reshape(-1, 1)).flatten()
y_test_scaled = y_scaler.transform(y_test.reshape(-1, 1)).flatten()
# Build LSTM model
model = Sequential([
LSTM(50, return_sequences=True, input_shape=(X_train_scaled.shape[1], 1)),
Dropout(0.2),
LSTM(50, return_sequences=False),
Dropout(0.2),
Dense(25),
Dense(1)
])
model.compile(optimizer='adam', loss='mse', metrics=['mae'])
# Train model
history = model.fit(
X_train_scaled, y_train_scaled,
epochs=50,
batch_size=32,
validation_data=(X_test_scaled, y_test_scaled),
verbose=0
)
# Evaluate
train_pred_scaled = model.predict(X_train_scaled)
test_pred_scaled = model.predict(X_test_scaled)
train_pred = y_scaler.inverse_transform(train_pred_scaled).flatten()
test_pred = y_scaler.inverse_transform(test_pred_scaled).flatten()
train_score = r2_score(y_train, train_pred)
test_score = r2_score(y_test, test_pred)
print(f"LSTM - Train R2: {train_score:.3f}, Test R2: {test_score:.3f}")
# Store model and scalers
self.models[f"{gauge_id}_lstm"] = model
self.scalers[f"{gauge_id}_lstm_X"] = scaler
self.scalers[f"{gauge_id}_lstm_y"] = y_scaler
return {
'train_score': train_score,
'test_score': test_score,
'train_mae': mean_absolute_error(y_train, train_pred),
'test_mae': mean_absolute_error(y_test, test_pred),
'history': history.history
}
def train(self, data, gauge_id):
"""Train all predictive models"""
print(f"Starting training for gauge {gauge_id}")
print(f"Data shape: {data.shape}")
print(f"Prediction horizon: {self.prediction_horizon} steps")
if len(data) < 100:
raise ValueError("Need at least 100 data points for training")
results = {}
# 1. Random Forest with engineered features
try:
X_rf, y_rf = self.create_features(data)
rf_results = self.train_random_forest(X_rf, y_rf, gauge_id)
results['random_forest'] = rf_results
except Exception as e:
print(f"Random Forest training failed: {e}")
results['random_forest'] = {'error': str(e)}
# 2. LSTM for time series
try:
X_lstm, y_lstm = self.create_lstm_sequences(data)
lstm_results = self.train_lstm(X_lstm, y_lstm, gauge_id)
results['lstm'] = lstm_results
except Exception as e:
print(f"LSTM training failed: {e}")
results['lstm'] = {'error': str(e)}
self.is_trained = True
return results
def predict(self, data, gauge_id, method='ensemble'):
"""Make predictions using trained models"""
if not self.is_trained:
raise ValueError("Models not trained yet")
predictions = {}
# Random Forest prediction
rf_key = f"{gauge_id}_rf"
if rf_key in self.models:
try:
# Create features for latest window
X_rf, _ = self.create_features(data)
if len(X_rf) > 0:
X_latest = X_rf[-1:] # Latest feature vector
X_scaled = self.scalers[rf_key].transform(X_latest)
rf_pred = self.models[rf_key].predict(X_scaled)[0]
predictions['random_forest'] = rf_pred
except Exception as e:
predictions['random_forest'] = {'error': str(e)}
# LSTM prediction
lstm_key = f"{gauge_id}_lstm"
if lstm_key in self.models:
try:
X_lstm, _ = self.create_lstm_sequences(data)
if len(X_lstm) > 0:
X_latest = X_lstm[-1:] # Latest sequence
X_scaled = self.scalers[f"{gauge_id}_lstm_X"].transform(
X_latest.reshape(-1, 1)
).reshape(X_latest.shape)
lstm_pred_scaled = self.models[lstm_key].predict(X_scaled)
lstm_pred = self.scalers[f"{gauge_id}_lstm_y"].inverse_transform(
lstm_pred_scaled
)[0][0]
predictions['lstm'] = lstm_pred
except Exception as e:
predictions['lstm'] = {'error': str(e)}
# Ensemble prediction
valid_preds = [pred for pred in predictions.values()
if isinstance(pred, (int, float))]
if valid_preds:
if method == 'ensemble':
ensemble_pred = np.mean(valid_preds)
elif method == 'weighted':
# Weight by historical accuracy (simplified)
weights = [0.6, 0.4] # RF, LSTM
if len(valid_preds) == 2:
ensemble_pred = np.average(valid_preds, weights=weights)
else:
ensemble_pred = valid_preds[0]
else:
ensemble_pred = valid_preds[0]
predictions['ensemble'] = ensemble_pred
# Add confidence estimation
if len(valid_preds) > 1:
std_pred = np.std(valid_preds)
confidence = max(0, 1 - (std_pred / np.mean(valid_preds)))
else:
confidence = 0.7 # Default confidence for single model
return {
'predictions': predictions,
'confidence': confidence,
'prediction_horizon': self.prediction_horizon,
'timestamp': pd.Timestamp.now().isoformat()
}
def generate_maintenance_recommendations(self, current_value, predicted_value,
gauge_id, threshold_ranges):
"""Generate maintenance recommendations based on predictions"""
# Calculate prediction change
change_percent = ((predicted_value - current_value) / current_value) * 100
recommendations = []
priority = "LOW"
# Check against threshold ranges
if gauge_id in threshold_ranges:
ranges = threshold_ranges[gauge_id]
# Current status
if predicted_value > ranges.get('critical_high', float('inf')):
recommendations.append("CRITICAL: Predicted value exceeds critical threshold")
priority = "CRITICAL"
elif predicted_value < ranges.get('critical_low', float('-inf')):
recommendations.append("CRITICAL: Predicted value below critical threshold")
priority = "CRITICAL"
elif predicted_value > ranges.get('warning_high', float('inf')):
recommendations.append("WARNING: Predicted value approaching high limit")
priority = "HIGH"
elif predicted_value < ranges.get('warning_low', float('-inf')):
recommendations.append("WARNING: Predicted value approaching low limit")
priority = "HIGH"
# Trend analysis
if abs(change_percent) > 20:
recommendations.append(f"Large change predicted: {change_percent:+.1f}%")
priority = max(priority, "HIGH")
elif abs(change_percent) > 10:
recommendations.append(f"Moderate change predicted: {change_percent:+.1f}%")
priority = max(priority, "MEDIUM")
# Default recommendations
if not recommendations:
recommendations.append("No immediate action required")
return {
'priority': priority,
'recommendations': recommendations,
'predicted_change': change_percent,
'action_required': priority in ['CRITICAL', 'HIGH']
}
# Usage example
def main():
# Generate sample data (in real application, load from database)
np.random.seed(42)
# Simulate gauge data with trend and seasonality
n_points = 1000
time_index = pd.date_range('2023-01-01', periods=n_points, freq='H')
# Base signal with trend and seasonality
trend = np.linspace(100, 110, n_points)
seasonal = 5 * np.sin(2 * np.pi * np.arange(n_points) / 24) # Daily cycle
noise = np.random.normal(0, 2, n_points)
gauge_data = pd.Series(trend + seasonal + noise, index=time_index)
# Initialize and train predictor
predictor = PredictiveAnalytics(prediction_horizon=24) # 24 hours ahead
# Train models
training_results = predictor.train(gauge_data, gauge_id="TEMP_SENSOR_01")
print("Training Results:")
for model, results in training_results.items():
if 'error' not in results:
print(f"{model}: Test R2 = {results['test_score']:.3f}, "
f"Test MAE = {results['test_mae']:.2f}")
# Make prediction
prediction_result = predictor.predict(gauge_data, "TEMP_SENSOR_01")
print(f"\nPrediction Results:")
print(f"Current Value: {gauge_data.iloc[-1]:.2f}")
for method, pred in prediction_result['predictions'].items():
if isinstance(pred, (int, float)):
print(f"{method}: {pred:.2f}")
print(f"Confidence: {prediction_result['confidence']:.2%}")
# Generate recommendations
threshold_ranges = {
"TEMP_SENSOR_01": {
'critical_high': 120,
'warning_high': 115,
'warning_low': 95,
'critical_low': 90
}
}
recommendations = predictor.generate_maintenance_recommendations(
gauge_data.iloc[-1],
prediction_result['predictions'].get('ensemble', 0),
"TEMP_SENSOR_01",
threshold_ranges
)
print(f"\nMaintenance Recommendations:")
print(f"Priority: {recommendations['priority']}")
print(f"Predicted Change: {recommendations['predicted_change']:+.1f}%")
for rec in recommendations['recommendations']:
print(f"- {rec}")
if __name__ == "__main__":
main()
เทคโนโลยีที่เกี่ยวข้อง
เทคโนโลยีอื่นๆ ที่ทำงานร่วมกับ Predictive Analytics